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電能表的由來及其發(fā)展
2011-03-29
隨著微電子高新技術(shù)和電子工業(yè)的高速發(fā)展以及用電負(fù)荷特性的不同，對(duì)電能計(jì)量精度提出了新的要求，電子式電能表越來越顯示出其優(yōu)越性。由于機(jī)械感應(yīng)式電能表的驅(qū)動(dòng)線圈的低頻窄帶電磁特性，即對(duì)于基波外的各次諧波功率信號(hào)難以轉(zhuǎn)換成等比例的驅(qū)動(dòng)力矩，因而造成感應(yīng)式電能表對(duì)非線性負(fù)荷、沖擊負(fù)荷的計(jì)量誤差較大問題。機(jī)械感應(yīng)式電能表的精度低、非線性負(fù)荷計(jì)量誤差大和難以實(shí)現(xiàn)各種功能的諸多缺點(diǎn)，造成感應(yīng)式電能表發(fā)展停滯不前。隨著電能表擁有著容易實(shí)現(xiàn)多功能、高精度、便于自動(dòng)抄表及具有先進(jìn)通訊接口等諸多功能擴(kuò)展需要，促使各種新型的電子式電能表迅速發(fā)展。即使一些機(jī)電一體式的特種電能表，例如：分時(shí)多費(fèi)率（TOU）電能表、有脈沖輸出的電能表、多路最大需量表、預(yù)付費(fèi)電卡電能表和電力定量器，它們采用感應(yīng)式電能表作基表，同時(shí)應(yīng)用電子電路來實(shí)現(xiàn)新的功能。
1880年美國人愛迪生利用電解原理制成了直流電能表(即安時(shí)計(jì))。自1885年交流電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用給電能表的發(fā)展提出了新的要求，交流電能表從此應(yīng)運(yùn)而生。意大利科學(xué)院的物理學(xué)家弗拉里斯(Ferraris) 在1888年提出用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理來測(cè)量電能量，即在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體上作用兩個(gè)同頻率但空間和相位不同的交變磁場(chǎng)，導(dǎo)體就能旋轉(zhuǎn)。由此，交流感應(yīng)式電能表又稱作弗拉里表。當(dāng)時(shí)，在美國電工技術(shù)學(xué)校有位教師也利用同一原理制造出感應(yīng)式電能表的模型。這些理論和模型都是交流電能表雛形的萌芽。
1889年，匈牙利崗茲公司一位德國人布勒泰制作成總重量為36.5kg的世界上第一塊感應(yīng)式電能表。從此，感應(yīng)式電能表在電能計(jì)量應(yīng)用中占據(jù)了極其重要地位。這塊感應(yīng)式電能表的電壓鐵芯重6kg，由于它沒有單獨(dú)的電流鐵芯，因此電壓鐵芯總的電抗就必需做得很大，體積也就很大了。為了減少尺寸和重量，人們開始研究把電壓與電流磁路分開，采用了獨(dú)立電流鐵芯，從而大大縮小了其體積。另外，在解決內(nèi)相角的問題上，還使用過人工線路和合成磁場(chǎng)的方法。到1890年以后出現(xiàn)了帶電鐵芯的電能表，然而轉(zhuǎn)動(dòng)元件仍是一銅杯，反作用力矩的產(chǎn)生是依靠交流電磁鐵。直到十九世紀(jì)末期才逐步開始采用直流磁鐵，降低了旋轉(zhuǎn)速度，增加了力矩，采用澆鑄零件，改進(jìn)了計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)，同時(shí)采用了一個(gè)圓盤代替了原來一個(gè)盤一個(gè)杯的轉(zhuǎn)動(dòng)元件，并且使用鋁盤來代替銅盤。
隨著社會(huì)生活中工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及居民生活的用電需求日益增長，人們對(duì)電能的交易日益頻繁，電能表是衡量電能交易數(shù)額的計(jì)量器具，其技術(shù)性要求很高，既要求準(zhǔn)確、更要求穩(wěn)定，并保證長期可靠。上海作為全國最早使用電能和最早進(jìn)行電能計(jì)量的大都市，電能表的使用和管理始終處于全國領(lǐng)先水平。
在二十世紀(jì)六十年代末，日本衫山桌先生發(fā)明了時(shí)分割乘法器并且提出了其功率測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了全電子化電能計(jì)量裝置，并由日本橫河株式會(huì)社生產(chǎn)了2885型數(shù)字功率變換器，受到全世界的關(guān)注。在這個(gè)原理基礎(chǔ)上我國研制出單相和三相電子式數(shù)字功率電能標(biāo)準(zhǔn)表。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)和大規(guī)模集成電路的逐步完善，促使各種性能和各種功能的電子式電能表逐步成為電能計(jì)量的主力軍，尤其是多功能電能表的智能化功能日趨完善。近年，在國外電子式電能表發(fā)展非常快，芬蘭、瑞典、挪威等北歐各國以及法國、英國、德國、西班牙、比利時(shí)和意大利等西歐許多國家，其工商用戶計(jì)費(fèi)電能表已實(shí)現(xiàn)100%電子化。居民用戶的計(jì)費(fèi)電能表也正在逐步電子化過程中，如法國2001年起已停止購買安裝感應(yīng)式電能表；意大利在2005年已經(jīng)將全部感應(yīng)式電能表更新為自動(dòng)抄表的電子式電能表；英國目前已有80%居民計(jì)費(fèi)用表為電子式電能表。現(xiàn)在上海電網(wǎng)65%以上的居民使用了電子式電能表。
在二十世紀(jì)很長的一段時(shí)期內(nèi)，感應(yīng)式電能表發(fā)展方向主要是在縮小體積和改善工作性能方面。二十世紀(jì)初，感應(yīng)式電能表就得到了飛速發(fā)展。1905年出現(xiàn)了增加非工作磁路改進(jìn)90°的方法，使電能表的各項(xiàng)參數(shù)有了很大提高。而后，隨著一些性能較好的高導(dǎo)磁材料的出現(xiàn)，大大地減輕了電能表的重量并縮小了其體積，每只表的質(zhì)量降到了1.5～2kg，而且降低了其功率消耗。從三十年代開始，電能表采用鉻鋼、鋁鎳合金代替原來的鎢銅，并通過降低電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來降低其損耗，同時(shí)改善了電能表的負(fù)荷特性。當(dāng)時(shí)，國外的感應(yīng)式電能表的過負(fù)荷能力達(dá)到600％以上，而且采用雙寶石軸承和磁力軸承，使電能表壽命長達(dá)15～30年。感應(yīng)式電能表的突出優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、操作安全、維修方便、造價(jià)低廉，但是它也存在的許多缺點(diǎn)，如：準(zhǔn)確度低、適用頻率窄、功能單一等等。至此，感應(yīng)式電能表在電能計(jì)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
復(fù)費(fèi)率多功能電能表的出現(xiàn)，目前正處于感應(yīng)式機(jī)械電能表向電子式電能表的轉(zhuǎn)變過程中，其基本上分為機(jī)械式、機(jī)電一體式及全電子式三種。其中，全新的全電子式復(fù)費(fèi)率電能表則改變了傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表的外形，并具獨(dú)特的多功能優(yōu)勢(shì)。自2000年開始，上海電網(wǎng)率先在國內(nèi)推廣應(yīng)用復(fù)費(fèi)率分時(shí)電能表，即實(shí)行居民電費(fèi)分時(shí)記度——單相兩費(fèi)率電能表(黑白表)用的雙步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)專用集成電路，用兩個(gè)機(jī)械記度器分別顯示白天和黑夜的用電量。當(dāng)前電能表正向著全電子式、多功能、具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口以及遠(yuǎn)程抄控功能的方向發(fā)展。
在我國，電力生產(chǎn)對(duì)計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)濟(jì)調(diào)度要求愈來愈高。電力生產(chǎn)的特點(diǎn)是發(fā)、供、用電同時(shí)完成，因此，電能作為一種不可儲(chǔ)存商品的流通使用過程中，對(duì)其準(zhǔn)確計(jì)量有其特殊性。為調(diào)節(jié)負(fù)荷用電時(shí)段，以解決日漸突出的電力供求矛盾，在不增添設(shè)備，不擴(kuò)大設(shè)備容量的前提下，主要通過兩種方法來解決：一是通過行政手段，在用電高峰時(shí)限、拉電；二是通過經(jīng)濟(jì)手段，實(shí)行分時(shí)電價(jià)，即提高用電高峰時(shí)段電能的售價(jià)，降低用電低谷時(shí)段電能的售價(jià)。為此，電力部門廣泛地使用有多個(gè)計(jì)度器能在不同費(fèi)率時(shí)段內(nèi)記錄交流有功或無功電能的復(fù)費(fèi)率電能表。2003年，國家在保持電價(jià)總水平基本穩(wěn)定的前提下，大力推行峰谷分時(shí)計(jì)電價(jià)，鼓勵(lì)用戶合理移峰填谷用電。同時(shí)，要求完善兩部制電價(jià)制度，擴(kuò)大多功能表應(yīng)用范圍，為多費(fèi)率和多功能電能表帶來了廣闊的應(yīng)用空間。
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